（土木工程专业论文）防屈曲支撑混凝土框架抗震性能非线性有限元分析.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：幽日期：坦f 垒垒： 之 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 传统普通支撑受压屈曲的缺点，又具备良好的消能减震性能，在日本、美国工程 应用日益广泛，而在我国的研究与工程应用刚刚起步。我国国土辽阔，地质构造 复杂，防屈曲支撑的工程应用前景十分广阔。 目前，国内外的防屈曲支撑研究主要是集中在防屈曲支撑构件及防屈曲支撑 钢框架方面。对防屈曲支撑混凝土框架的试验和分析国内外暂时相对缺乏。本文 针对课题组已有防屈曲支撑构件及防屈曲支撑混凝土框架试验基础上进行非线 性有限元分析，论文包括分析防屈曲支撑混凝土框架结构承载能力、内部受力过 程、内力分配及重分配规律、改进内部配置、优化结构设计，还可为进一步研发、 改进内部构造提供模型基础等，以弥补试验试件不能过多、试验中应变片多处被 损坏等诸多不理想的情况。 本文主要进行了以下工作：运用a b a q u s 对三个试件进行了非线性有限元分 析，分析破坏形态，提出设计建议。首先，采用a b a q u s c a e 进行前期建模，运 用a b a q u s s t a n d a r d 进行计算，混凝土采用弹塑性损伤模型，钢筋和钢板采用双 折线弹塑性模型，钢筋、预埋件与混凝土单元之间的相互作用采用嵌入( e m b e d ) ， 套管与钢芯之间的相互作用采用接触( c o n t a c t ) 模拟； 其次，利用非线性有限元分析软件a b a q u s 对防屈曲支撑混凝土框架的有限 元模拟单元选择如下：框架梁柱及套筒采用六面体8 节点减缩积分单元( c 3 d 8 r ) ， 连接件及钢芯采用六面体8 节点非协调积分单元( c 3 d 8 i ) ，预埋件钢板采用平面 4 节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元( s 4 r ) ，预埋件钢筋采用桁架 单元( t 3 d 2 ) ，钢筋采用表面单元( s f m 3 d 4 ) 进行模拟； 再次，对可能影响防屈曲支撑混凝土框架作用的因素进行了一定研究，本文 试图对试验中的构件进行单向加载以期获得与试验相吻合的骨架曲线，并进行了 反复低周加载，获得分析模型的滞回曲线。经过与试验情况对比，获得了与试验 现象基本一致的应力分布图。经过分析荷载与位移之间的关系，研究了这些影响 防屈曲支撑结构消能减震和抗震性能的关键参数的变化规律，还对防屈曲支撑恢 复力模型的关键参数进行了分析研究并提供了建议和参考。 最后经对比验证，其计算结果与已有试验结果吻合较好，表明该模型能够比 较准确而有效地模拟防屈曲支撑混凝土框架的受力破坏全过程，为进一步研究防 屈曲支撑混凝土框架的性能提供了基础。总之，通过本文的研究，明确了防屈曲 支撑混凝土框架的破坏机理、耗能机制以及承载力等抗震性能的变化，为以后的 理论研究和工程应用提供了参考。 关键词：防屈曲支撑；防屈曲支撑混凝土框架；消能减震；非线性有限元分析 a b s t r a c t a bs t r a c t b u 粥i n g r e s t r 血e db r a c e ( b r b ) a u san e wt ) ，p eo fe i l e 唧d i s s i p a t i o nb r a c e ， i tc a i ly i e l di i lb o t l lt e n s i o na 1 1 dc o m p r e s s i o nw i 也o u tb u c k l i l l g ，w 址c ho v e r c 0 m e sm e s h o r t c o m i l l g so f 打a d i t i o n a jc o r n m o mb r a c e sb u c l 【l i n g ，b e c a u s e o fc o m p r e s s i o n w i t h o u tb u c u i n ga n dh a v i n gg o o dd i s s i p a t i o nc a p a c i t y ，b i mh a v eb e e l la p p l i e dt 0 p r o j e c t sw i d e l yi nj a p a na n du s a ，b u t i i lc 量l i n e s em a i l l l a i l d ，m es t u d ya n d e n 百n e e r i n ga p p l i c a t i o nw i mb i 出h a sj u s ts t a r t e d c l l i n e s ea r e ai s 孕e a ta i l dg e o l o 百c c o n s t i t u t i o ni s c o m p l e x ，s o m a tm ea n t i c i p a t e d p r o s p e c to fb r be n 酉n e 嘶n g 印p l i c a t i o ni sv a s ta i l dl a 唱e a tp r e s 肌t ，m e 咖d yo fb r bm o s t l yi sc e i l 仃a l i z e di nb r bc o m p o n e n ta n d b r b - s t e e lf 姗ei no u rc o u l l t 叫a n da b r o a d t t l ee x p 舐m e n ts m d ya n df i n i t ee l 锄e n t a n a l y s i so fb i 出- c o n c r e t ef r 锄er e l a t i v e l yl a c k t 1 1 ep 印e ri sc e n 仃a l i z e di ns t u d yo f b r b c o n c r e t ef r 锄eu s i n gi n 6 n i t ee l e i n e n tm e a n si nb a s eo fo u re x p e r i m e n ts 眦y t h ep a p e ri n c l u d e st l l a t a i l a l y s i s o fs t r u 咖r e1 0 a d b e 撕n gc 印a c i 坝s 骶s s s t i a i n p r o c e e d i n gi i lm ef 础m e s ，i 衄e rf o r c ed i s t r i b u t i o na n dr e d i s t r i b u t i o n ，i m p r o v ei 姗e r s t 九l c t u r e ，o p t i m i z es n u c t u r ed e s i g n ；如r t h e rm o r e ，i ta l s os u p p l y sw i mm o d df o rm e f o l l o w i n gr e s e a r c h 锄di 1 1 1 1 e rs 打u c t u r e so p t i m i z a t i o n ，c 0 i n p e n s a t i n gt h ee x p e r i m e n t a l s p e c i m e n sn o tb et o om a i l y s t r a i ng a u g ed e s t r o y e d i nm a n yp l a c e sa 工l da 1 1m a t i i l s t a n c e s t h ep a p e rm o s t l yd os o m ej o b sa sb e l o w ：d os o m en o n l i n e a ri i l f i i l i t ee 1 锄e n t 觚a l y s i so fn l r e eb i 也一c o n c r e t ef r 锄es p e c i m e i l su s i i l ga b a q u s ，a i l a l y s ef a i l u r e m e c h a m s m ，p r o v i d ed e s i 盟s u g g e s t i o n f i r s t ，u s i n ga b a q u s c a et om o d e la n du s i n ga b a q u s s t a i l d a r dt oc a l c u l a t e a n da i l a l y z e ，c o n c r e t ea d o p te l a s t i c p l a l s t i cd 锄a g em o d e l ，s t e e lb a r 觚l ds t e e lp l a t e a d o p td o u b l ef 0 1 dl i n e s ，t h ei i l t e r a c t i o nb 咖e e l ls t e e lb a re m b e d d e d ，s t e e lp i e c ea i l d c 0 n c r e t eu s ee r n b e dt 0s i l l 叭l l a t e ，t l l ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt u _ b ec o n c r e t ea n db i u c o r e u s ec o n t a c tt os i m u l a t e ； s e c o n d ，m ee l e i n e n tt y p e c h o o s es i m u l a t i n gb r b c o n c r e t ef r a m e sw i m a b a q u s 嬲f 0 1 l o w ：c 1 锄饥t o ft 1 1 ec o l 砌n sa 1 1 d b e 锄s u s ec 3 d 8 r ，e l 锄髓t o ft 1 1 ec o n n e c tp l a t e sa 1 1 db r b c o r eu s ec 3 d 8 i ，e l e m e n to fm ep l a t ei n l e 锄b e d d e dp i e c eu s es 4 r ，c e l l so f也es t e e lb a ri n 也e 锄b e d d e dp i e c eu s e t 3 d 2 ，e l e m e n to fm es t e e lb a ri i lm ef r a m eu s es f m 3 d 4 ； 砸r d ，l l s i n gd i 脓e n t f a c t o r st oa 虢c tm es e i 觚cp 柏肌a 1 1 c eo fb r b c o n c r e t e f r 锄髂，l et e x tm o s t l yg e tm es 锄es k e l e t o nc u r v ec o n 廿a s t i n gt oe x p e r i m e n t a l s p e c i c e sf _ 0 r c e d i s p l a c e m e n ts k e k e t o n 吼m ，e s ，血ep 印e rg e t sh y s t e r e s i s c u n ，eo f b i 出一c o n c r e t ef r 锄el i s i n gl o w - c y c l er e v e r s el o a d b ya i l a | y s i so fr e l a t i o nb e 觚e e n l o a da n dd i s p l a o e m e m ，g 甜i i l gm em l eo fk e yp a r a m e t e ro fa 艉c t i n gs e i s m i ce 1 1 e 唱y a i l ds e i s m i cr e d u c t i 0 i l ，p r o v i d es o m es u g g e s t i o i l sa n dr e 衙e n c eo nt l l ek e yp 嬲m e t e r s u a b s t r a c t o f 。b r br e s t o r i n g f o r c em o d e l 1 1 1m i sp a p t l l es e i s m i cp e r f o m l a n c eo ft h eb r b c o n c r e t e 行锄ew a sv 嘶右e d b yc o m p 抓n ga n a l y t i c a lr e s u l t sw i t hm o s e 舶mt h et e s to f1 a r g e s c a l eb r b c o n c r e t e 丘锄es p e c i m e n s ，p r o v i d eaf o u n d a t i o nt om n l l e rs t u d yt h e p e r f b 玎i l a n c eo ft h e b i 让；。c o n c r e t e 丘锄e s i nc o n c l u s i o n ，t h r o u 曲t l l es t u d y ，t h ep a p e r 如r t h e d ym a l ( e s c l e a ra b o u tt h ef a i l u r em e c h a n i s m ，e n e 唱yd i s s i p a t i o n ，1 0 a d - b e 撕n g c a p a c i t ya i l d d u “l i t yo fb r b c o n c e t cf r 锄e su n d e rd i f 断e 1 1 ti i l f l u e n c i n gf a c t o r s ，a n de s t a b l i s h e d t 量l es k e l e t o n c u n ，e ， p r o v i d i n gr e f 醯e n c ef o r 舢m l e rr e s e a r c h a n de n 舀n e 嘶n g a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：b uc _ l ( 1 i n 分r e s t r a i n e db r a c e ( b r b ) ；b r b c o n c r e t ef r a m e ；s e i s 戚c r e d u c t i o na n de n 昭yd i s s i p a t i o n ；n o n 一1 i n e a rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ； i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目勇乏 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 本文研究背景1 l - 3 防屈曲支撑及其研究进展和工程应用2 1 3 1 相比于传统支撑的优势2 1 3 2 国外研究进展3 1 3 3 国内研究进展5 1 3 4 防屈曲支撑的工程应用6 1 4 研究内容及其意义8 第2 章有限元、防屈曲支撑和预埋件基本理论1 1 2 1 有限元基本理论一1 l 2 1 1 有限元发展概况1 1 2 1 2 有限元分析过程1 1 2 1 3 非线性问题1 3 2 2 防屈曲支撑稳定基本理论1 5 2 。2 1 支撑整体稳定性1 5 2 2 2 钢芯自身的屈曲稳定1 6 2 2 3 连接段的稳定性1 7 2 3 防屈曲支撑及防屈曲支撑框架恢复力模型介绍一1 8 2 3 1 防屈曲支撑的恢复力模型1 8 2 3 2 防屈曲支撑框架的恢复力模型2 0 2 4 预埋件研究2 0 2 4 1 配置直锚筋的弯剪预埋件的受力性能。2 1 2 4 2 拉剪预埋件的受力性能2 3 2 5 本章小结2 4 第3 章防屈曲支撑混凝土框架有限元分析原型2 5 3 1 有限元分析模型的结构原型2 5 3 2 消能减震方案2 5 3 3 框架结构、防屈曲支撑的刚度及相关构造参数2 8 3 4 本章小结2 9 目录 第4 章防屈曲支撑混凝土框架试验简介3 1 4 1 试验条件概况31 4 2 分析所用到的材质试验结果【5 6 】：j 31 4 3 单斜式支撑普通梁框架( b r b c f l ) 试验简介【5 8 】3 2 4 4 单斜式支撑宽扁梁框架( b i 强c f 2 ) 试验简介【5 8 】3 3 4 5 人字式支撑普通梁框架( b i 也c f 3 ) 试验简介【s 8 】3 4 4 6 本章小结3 5 第5 章单向加载下防屈曲支撑混凝土框架抗震性能非线性分析3 7 5 1a b a q u s 简介3 7 5 2 钢筋混凝土结构的本构关系3 7 5 2 1 混凝土的本构关系3 7 5 2 2a b a q u s 中混凝土的本构关系3 8 5 2 3 钢筋的本构关系3 9 5 3 几何模型的建立3 9 5 3 1 定义模型材料属性和建立几何模型4 0 5 3 2 划分网格和定义单元类型4 1 5 - 3 3 施加荷载和边界条件4 4 5 3 4 加载方案4 4 5 4 基于a b a q u s 的非线性有限元结果4 5 5 4 1 框架梁柱应力结果4 5 5 4 2 防屈曲支撑应力结果4 9 5 4 3 预埋件应力结果5 2 5 4 4 钢筋层应力结果5 8 5 5 与试验结果的分析比较6 1 5 5 1b r b c f l 骨架线的有限元分析与试验结果比较6 1 5 5 2b r b c f 2 骨架线的有限元分析与试验结果比较6 1 5 5 3b r b c f 3 骨架线的有限元分析与试验结果比较6 2 5 6 本章小结6 3 第6 章反复低周加载下防屈曲支撑混凝土框架抗震性能非线性分析6 5 6 1 模型的建立和反复加载的加载制度j 6 2 基于a b a q u s 的非线性有限元分析结果 6 2 1 框架梁柱应力结果 6 。2 2 框架节点变形结果 6 2 3 预埋件应力结果 6 2 4 钢筋层应力结果 6 2 5 框架侧移为2 0 n 1 i i l 防屈曲支撑应力结果 6 3 与试验结果的分析比较 v 北京1 二业大学工学硕十学位论文 6 4 本章小结8 1 第7 章加套筒后单向荷载下防屈曲支撑混凝土框架抗震性能非线性分析8 2 7 1 对加套筒后的建模思路简单介绍8 2 7 2 基于a b a q u s 的非线性有限元结果8 2 7 2 1 框架变形结果8 2 7 2 2 防屈曲支撑应力结果8 6 7 2 3 套管被破坏情况的解释8 9 7 2 4 与试验结果的对比9 0 7 3 本章小结9 1 结论与展望9 2 参考文献。9 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果1 0 1 致谢l0 3 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 0 8 年5 月1 2 日下午两点，四川省汶川发生地震，震级高达8 级，是我国 建国以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震，受灾地区达5 0 万平方公里， 近7 万人遇难，3 7 万余人受伤，近1 8 万人失踪，直接经济损失近1 万亿元。 2 0 1 0 年4 月1 4 日早晨，青海省玉树又发生地震，最高震级7 1 级。截至4 月2 0 日下午1 7 时，玉树地震遇难人数为2 0 4 6 人，失踪1 9 3 人，受伤1 2 1 3 5 人， 其中重伤1 4 3 4 人。使国人又一次深刻体会了地震灾难的无情，举国同哀。我国 历来是世界上遭受地震灾害最为严重的国家之一，由于地震发生的复杂性，目前 还很难准确预报地震发生的时间、地点和强度。因此，要减小地震造成的损失， 在相当长的一段时间里，如何提高建筑结构的抗震性能，仍是广大科研人员和工 程技术人员需要从事的课题。 近期国外海地、智利等国家也先后发生能量巨大、破坏性强的地震。 地震灾害是自然界灾害中很常见的一种灾害，给人类造成了巨大的人员伤亡 和财产损失，因此我们必须采取充分的防震减灾措施。我国在相关法规中明确规 定我国的防震减灾工作贯彻以“预防为主 的指导思想。“预防为主 的目的就 是在灾害发生之前采取一切可以减轻灾害的有效措施，一旦发生灾害性的自然现 象时就尽可能地减少损失。建筑结构是与人类的生命财产安全紧密相关的土木工 程设施。如何预防建筑结构引发的土木工程灾害是土木工程中一项重要而持久的 课题。消能减震作为工程抗震的新兴领域，凭借其相对于传统抗震方法在安全性、 经济性、技术合理性等方面的优势，逐渐受到工程界的重视，工程应用也开始逐 步展开。 1 2 本文研究背景 由梁、柱构件组成的结构称为框架。整幢结构都由梁柱组成就称为框架结构 体系。框架结构体系是高层建筑及复杂高层建筑结构中普遍使用的一种结构体 系。框架结构其优点是建筑平面布置灵活、受力明确、自重轻、经济，适用于大 开间建筑；框架结构构件类型少，易于标准化、定型化，可以采用预制构件。其 缺点是抗侧刚度较小。，当框架结构高度较大时，在较大的水平荷载作用下，侧移 较大，抗震设计时难以满足层间位移比的限值要求。单独通过增加梁柱尺寸来提 高结构刚度满足设计要求往往是不经济的，此缺点限制了框架结构的高度。 在框架结构梁柱节点间或其他部位设置防屈曲支撑，便形成了新的结构体系 北京t 业大学丁学硕士学位论文 框架一防屈曲支撑结构。此时防屈曲支撑在结构中仅承受轴力，此种结构体系既 有框架结构的优点，又弥补了其抗侧刚度不足的缺陷，还能达到消能减震的目的。 在国内，目前大部分高层建筑是钢筋混凝土结构，在框架结构中添加支撑起初只 是为提高结构的刚度，现如今随着国内外地震灾害的频繁发生与消能减震技术的 发展，支撑也愈来愈多地扮演了消能减震的角色。本文研究的防屈曲支撑技术是 近几年国国内外研究的热点，在技术上属于位移相关型消能减震器，是消能减震 技术的一个重要组成部分。 1 3 防屈曲支撑及其研究进展和工程应用 1 3 1 相比于传统支撑的优势 传统普通支撑作为布置于框架梁柱结构中一种结构抗侧单元，在提高框架结 构抗侧移刚度方面发挥了良好的作用。但是随着抗震理论发展的深入和对震害现 象的深入分析时发现，传统普通支撑在结构抗震方面存在两个致命缺陷：一是地 震施加于结构的是反复荷载，传统普通支撑在受拉时能够较好地提供结构抗侧刚 度；但是由于长细比较大，在受压时极易发生整体失稳，从而完全丧失其应有的 功能；二是传统普通支撑设计仅是为了承受施加于结构的水平侧向荷载，提高结 构的抗侧刚度，而没有对其在地震反复荷载作用过程中进行消能减震设计。普通 支撑与防屈曲支撑受力性能的比较如下图卜l 。 诊习 厂 普遥支撑 八二支撑 拉伸 压缩 艿 | f厣 屈服 j ndn 图1 1b r b 与普通支撑受力性能的比较 f i 9 1 2c o n 缸粥tb e 押e e nb r b a n dc 0 姗o nb r a c e 1 9 7 3 年，在研究内藏钢板支撑的基础上，防屈曲支撑研究最早起源于日本n 1 。 随后，随着消能减震技术的不断深入发展和大力推广，防屈曲支撑在消能减震和 加固改造方面相对于传统抗震设计方法的优越性不断被工程技术人员所认识，在 国外其相应的研究得到广泛开展。防屈曲支撑在传统普通支撑( 相当于防屈曲支 2 第1 章绪论 撑的钢芯) 的外围设置了外包套管，能够有效抑制支撑的受压屈曲失稳。它由核 心单元、约束单元以及硬隔膜材料组成，如图卜2 所示。 + 豹柬革元竞撂搀体 图1 2 防屈曲支撑构造 f i 9 1 2c o n s 仇l c to fb r b 防屈曲支撑基本设计思路是让钢芯承担轴向力，约束单元不承受轴向力，仅 起到防止支撑屈曲的作用瞄，钢芯与约束单元由硬隔膜材料与空隙隔开，减小了 两界面之间的摩擦，防止轴力传递到约束单元。其钢芯由于受到外围约束单元的 限制，不论拉压都能达到全截面屈服，通过工作段屈服的滞回而耗能减震。图 卜3 中传统普通支撑和防屈曲支撑的力一位移滞回曲线对比，可说明防屈曲支撑 具有很好的滞回性能。 i 矗望：至z匿鞭 譬订_ 秘r it “ 。j ，j ? 避? i ? j7 ，i 龄舒4 - ? 4 = = q = = ；c t 7 。r 一? ，i ， r ，。一 1 传统夏镎 f ，b t 厂嗲荔翱 | ￥。iil | i 。 ； l l l | 1 “ ! 0 ：等啖汐 酷愆蠡夏撑 图1 3 国外试验得到的滞回曲线 f i g l - 3h y s t e r e s i sc u r v el o 叩so fc o n 瑚o nb r a c ea n d 丑堰之b 1 3 2 国外研究进展 1 9 7 3 年，w a k a b a y a s h i 将钢板支撑夹在一对预制钢筋混凝土板之间，即内藏 钢板支撑，进行了拉压试验及两层框架体系试验n 。在其后发表的论文中提出保 证支撑钢板只承担轴力而外围约束体系只限制支撑钢板屈曲的关键在于设计经 济合理的无粘结体系，并研究了各种无粘结材料和预制钢筋混凝土板配筋对内藏 3 网励朔捌豳圉阮雨黼捌阙闭溯粗敞 ；i一毒 ；l 8 北京丁业大学下学硕士学位论文 钢板支撑性能的影响。 1 9 8 0 年，m o c h i z u k i 等对以钢筋混凝土为约束机制的防屈曲支撑进行了试验 研究。试验结果表明：钢筋混凝土约束防屈曲支撑具有较稳定的滞回性能，但只 能承受有限次数的循环荷载。在反复荷载作用下，混凝土被压碎，限制防屈曲支 撑屈曲的功能也随之破坏比1 。 1 9 9 0 年，s r i d h a r a 提出了带套管的钢芯承载压杆，其思想是通过套管约束 钢芯的受弯屈曲来提高构件的抗压承载力。在轴向力作用下，钢芯产生弯曲并挤 压套管的内表面，使套管产生弯曲应力。若套管内的弯曲应力低于其材料的屈服 应力，可以使内核支撑达到非常高的应力水平，大大的超过钢材的屈服强度h 1 。 2 0 0 0 年，1 w a t a 拍1 等对四种在日本工程应用的防屈曲支撑进行了试验对比与 优选。图卜4 是这四种产品的构件截面。研究表明，根据f u j i m o t o 等在1 9 8 8 年 提出的设计概念制作的第一种产品性能最为优异，第二种产品因为缺乏内填砂浆 或混凝土的有效约束，在四种产品中性能表现最差。第三种产品通过两根槽钢用 高强度螺栓连接组成约束单元，这种产品的耗能性能仅次于第一种产品。第四种 产品以宽翼缘型钢作为内核单元，约束单元是矩形钢管，内部无砂浆或混凝土填 充，性能表现一般。 蚓日 燮熟 炎娩凌貉 爱攒4 图1 41 w a t a 试验选取的四种截面 f i 9 14 f o u rs e c t i o n so f1 w a t a st e s t 1 9 9 9 年，美国加利福尼亚州立大学伯克利分校c l a r kp 等人进行了三组大 比例的防屈曲支撑的试验试验研究，前两个试件是矩形截面，第三个是十字形截 面。这是在美国的第一次防屈曲支撑试验例。 2 0 0 0 年，n a k a m u r a 等人旧1 对防屈曲支撑的疲劳性能进行了足尺试验研究， 钢芯截面截面形式为一字形和十字形。试验结果表明，在低周反复作用下，一字 形钢芯防屈曲支撑比十字形钢芯的抗疲劳性能要好。 2 0 0 3 年f i e l dc j 陋3 1 采用有限元l s d y n a 隐式求解方法对某防屈曲支撑 试验进行有限元模拟，如图卜5 所示，数值分析结果与试验数据吻合较好，验证 了有限元分析的可靠性，说明了用数值模拟部分代替实际试验的可能，从而减少 试验的试件数目，弥补试验中的某些不理想情况。 4 第1 章绪论 图1 5f i e l dc j 的防屈曲支撑试验数值模拟模型 f i 9 1 - 5b r b m o d e lo f f i e l dc jn u m e r i c a la n a l y s i s 1 3 3 国内研究进展 近年来防屈曲支撑的研究在国内也开始逐渐兴起。在我国关于防屈曲支撑研 究较早的是台湾科技大学的陈正诚教授和台湾大学的蔡克铨等学者。 2 0 0 1 年，中国台湾省台湾科技大学的陈正诚n 2 1 等人制作了三组共1 2 个防屈 曲支撑构件进行试验研究，其内核单元采用a 3 6 钢板矩形截面，约束单元分别 采用钢筋混凝土、钢管混凝土和组合钢管。试验结果显示，所有支撑都具有较高 的耗能减震能力，从而说明了约束单元可采用多种形式。 2 0 0 1 年，中国台湾省台湾大学的蔡克铨n 踟等研究了无粘结材料对滞回性能 的影响，并针对传统型防屈曲支撑需要设置拼接板与框架连接而造成连接长度 大、螺栓多、工作段短等问题，开发了双套筒双内核防屈曲支撑，每个套筒各自 偏心内插一片内核单元，组合后的两内核单元端部夹节点板进行连接，并对这种 新型的防屈曲支撑进行了理论和试验分析。 2 0 0 4 年，哈尔滨工业大学的李妍等人n 6 1 在对7 个一字形钢芯外包钢管和2 个十字形钢芯外包钢管的防屈曲支撑进行了反复低周荷载试验及子结构拟动力 试验，如下图卜6 。在低周反复荷载试验中，试件的组成形式相同，钢芯和外包 钢管的尺寸各不相同，表明具有合理构造的防屈曲支撑具有良好的滞回性能。子 结构拟动力试验还表明在水平地震作用下防屈曲支撑能够有效减小结构的地震 反应。 恕帮 图1 6 哈尔滨工业大学设计的一字形防屈曲支撑构造 f i 9 1 6r e a s o n a b l es t m c 眦f o 咖o f b r bt h r o u 曲l iy a n st e s t 5 北京工业大学工学硕十学位论文 2 0 0 6 年，清华大学刘建彬n 力对防屈曲支撑进行了典型参数的有限元分析， 比较系统地研究了约束刚度比、内芯宽厚比、初始挠度、内芯与外包钢管混凝土 间隙的影响，给出了基于位移的简化抗震设计方法；但是由于没有试验验证，某 些结论在某种程度上不合理。 2 0 1 0 年，广州大学杨叶斌旧1 等运用a b a q u s 对二重钢管防屈曲支撑的性能进 行了简单模拟，得出的滞回曲线不平滑，仍然没有涉及到把防屈曲支撑放在框架 结构来模拟的实例。 2 0 0 6 年起，在北京市自然科学基金和国家自然科学基金的资助下，北京工 业大学的防屈曲支撑课题组在高向宇教授的主持下，立足中国国内市场，开发研 究了新型防屈曲支撑构造及相关的消能减震设计方法，取得了多项国家专利。主 要研究成果包括：在理论研究方面，发现了力学参数非对称性影响对结构性能参 数的估计并提出计算公式脚1 ，对防屈曲支撑恢复力模型进行了深入的研究，提出 了b o u c w e n 模型应用于防屈曲支撑时的改进建议乜副，对结构设计提出了一套防 屈曲支撑框架结构消能减震设计方法；试验研究方面，进行了组合热轧角钢系列 防屈曲支撑协1 嘲、混凝土套管防屈曲支撑呻1 和防屈曲支撑多种连接构造方式乜钉1 等一系列抗震性能试验研究，并于2 0 0 9 年1 2 月进行了一组三个防屈曲支撑混凝 土框架结构试验研究，成果正待发表。 1 3 4 防屈曲支撑的工程应用 防屈曲支撑在土木工程中的应用领域十分广泛。按结构形式划分，防屈曲支 撑可应用于框架一防屈曲支撑结构、桥梁结构、大跨空间结构等。按工程性质划 分，其不但可用于新建建筑，也可应用于建筑结构等的加固改造。 自1 9 9 5 年神户地震后防屈曲支撑在日本被广泛应用，如卜7 丰田体育场。 日本是世界上建筑物使用防屈曲支撑为消能减震构件最多的国家。截至2 0 0 4 年， 已有超过3 0 0 幢以上的建筑物安装了b r b ( 日本称之为u b ) 来提高建筑结构的抗 震能力，同时日本也是发展防屈曲支撑种类最多的国家，并且也是目前全球拥有 防屈曲专利权最多的国家。b r b 在日本已经实现产业化和标准化。 穷”j 一 。j| ，? ”弘。? 。一? t j 筏 图1 7 日本丰田体育场采用的防屈曲支撑 f i 9 1 - 7b i m i nt o t ) ，0g t a d i 啪o f j 印柚 6 秽l 鬈四。 ，羔碍_ ， 第1 苹绪论 名古屋高速公路公司修建一高架桥，考虑外形美观，设计了独立的柱形桥墩， 桥墩顶部无横梁连接，水平地震作用下容易被损坏。通过防屈曲支撑连接上部结 构和下部桥墩对桥梁结构进行抗震加强。防屈曲支撑也有用来加强桥梁箱梁的实 例，如下图卜8 。 图1 8 采用防屈曲支撑的箱梁 f i g1 8b o x b e 锄w i t l lb r b 1 9 9 4 年美国北岭地震后，一个明显的震害特征是钢框架结构中的支撑因受 压屈曲而失效。鉴于b r b 的良好消能减震性能，a r u p 公司将其引进美国并在加 利福尼亚大学戴维斯分校的作物与环境科学大楼中首次应用。位于美国盐湖城的 w a l l a i l c ef b e i l i l e t t 联邦大楼是一栋六层的钢筋混凝土结构，建于2 0 世纪6 0 年代。 由于盐湖城附近的w a s a t c h 断层可能发生的大地震大于原来的抗震设防标准，故 需对其进行加固。其加固是在原结构外包一个框架，防屈曲支撑在加固框架之间 相连，通过新建框架与原结构相连组成一体，但防屈曲支撑于新建框架的连接部 分却仍采用钢结构。目前，美国已经建成或正在建造的使用b r b 的建筑物超过 3 0 栋。此外，b r b 在加拿大、印度、澳大利亚、韩国也得到了一定程度的推广。 目前台湾也在大力推广使用防屈曲支撑( b r b ，台湾称之为挫曲束制支撑) ， 在台北县政府行政大楼( 见下图卜9 ) 、台湾科技大学国际大楼、慈济文化志业 大爱电视台等建筑物中得到应用。 7 应用。威盛大厦是我国首例应用b r b 的钢结构工程。此外，北京银泰中心、北京 通用国际国际广场1 # ( 见图卜1 0 ) 、上海古北财富中心、北京摩根大厦等工程都 安装了b r b 来提高结构的抗震能力。但目前我国工程中使用的b r b 产品主要还依 赖于从国外进口。例如：北京摩根大厦为全钢结构，共使用3 2 根防屈曲支撑构 件，均由新日本制铁公司生产，折合相当于平均每根价格6 2 5 万元。由此可见， 防屈曲支撑( b r b ) 在国内大力推广，依赖进口是不行的，必须国产。 。：；7 乒鍪镌 氅h 微爨笔 图1 1 0 北京通用国际时代广场1 j 楼 f i g l - 1 0g e n a r a li i l t c m a t i o n a ln m e ss q u a r eb u i l d i n gl 撑i l lb e i j i n g 目前，北京工业大学防屈曲支撑课题组正在利用此项技术开展大学生公寓的 减震设计应用研究，并将其应用在实际工程中。 1 4 研究内容及其意义 就国内外防屈曲支撑应用来看，绝大部分都是应用在钢结构中，对于钢框架 鬟蜂警漤豸孑季蚕讵0巴良隧一 磐秀谨雾。磊簪兹00囊霪罄薹一 一囊蠢搿誉：厢蠡，一嚣殛跳黪一曩荽。蘑一_1锄麓鬈x麓冀鬈麓拼。llttl 簪是叠臻鬈曩i羞罴 1哆k瓣e“r“r k 一 ；涫1鞠rm 爵荔瑟瑟瑟瑟雾貉k蕴鎏一 此模型为基础，对防屈曲支撑一混凝土框架进行单向、低周反复加载，从而找出 其中的规律，在满足消能减震的基础上，为简化设计构造、优化内部构造提供科 学依据，从而为尽可能降低建筑成本，从而达到安全、经济、适用的要求。 运用非线性有限元通用软件a b a q u s 对三个试件进行了非线性有限元分析， 在此过程中，主要采用a b a q u s c a e 进行前期建模，运用a b a q u s s t a n d a r d 进行 计算分析，混凝土采用弹塑性损伤模型，钢筋和钢板采用双折线弹塑性模型，钢 筋、预埋件与混凝土单元之间的相互作用采用嵌入( e m b e d ) ，套筒与钢芯之间的 相互作用采用接触来模拟；其次，对影响防屈曲支撑混凝土框架作用的套管等进 行了一定研究，本文试图对试验中的构件进行单向加载以期获得与试验相吻合的 骨架曲线，并进行了低周反复荷载作用下的防屈曲支撑抗震性能研究。经过计算 分析，与试验情况经过对比，获得了与试验现象基本一致的应力分布图。经过统 计、分析了荷载、位移及应变的分析数据，研究这些影响防屈曲支撑结构消能减 震和抗震性能的关键参数的变化规律，还对防屈曲支撑恢复力模型的关键参数进 行了分析研究并提供了建议和参考。 本文研究内容属于国家自然科学基金资助项目( 5 0 6 7 8 0 1 3 ) 和北京市自然科 学基金项目( 8 0 6 2 0 0 9 ) 的一部分。 9 i 一 第2 章有限元、防屈曲支撑和预埋件基本理论 第2 章有限元、防屈曲支撑和预埋件基本理论 2 1 有限元基本理论 2 1 1 有限元发展概况 有限单元法最基本思想的提出，可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年的工作，他 第一次假设翘曲函数在一个人为划分的三角形单元集合体的每个单元上为简单 的线性函数，求得了s t v e n a n t 扭转问题的近似解。 现代有限单元法的第一个成功尝试，是c 1 0 u g h 、t u r n e r 等人于1 9 5 6 年在分 析飞机结构时得到的。他们将矩阵位移法的方法、原理推广应用于弹性力学平面 问题，将一个弹性连续体假想地划分为一系列三角形的所谓单元，以三角形单元 三个角顶点结点的位移作为优先解决的基本未知量，在满足一定条件下对整个求 解域构造分片连续的位移场，这就使原来建立位移场的困难得到了解决。继之又 解决了单元结点力和结点位移之间单元特性关系，从而用三角